钢筋混凝土水池设计中的裂缝控制

钢筋混凝土水池设计中的裂缝控制摘要钢筋混凝土水池的渗漏多由裂缝开始，裂缝的预防和控制，是钢筋混凝土水池的要点。水池产生裂缝的原因多种多样，与设计、施工、使用过程中的诸多因素均有关联。水池的裂缝控制从完整准确收集相关的基础资料开始，到采用合理的结构受力体系、准确细致的分析计算、全面可靠的结构截面设计与构造措施、对施工养护阶段的技术要求，直至复核出图，最终实现全过程的裂缝控制。关键词裂缝；水池裂缝；裂缝预防；裂缝控制；水池设计水池裂缝的成因钢筋混凝土结构在受力状态下出现裂缝是一种普遍存在的现象，在受力时，只有产生一定量的形变，才能发挥钢筋的作用。混凝土的受拉变形往往伴随着裂缝的产生，当裂缝宽度控制在不影响结构件的受力性能、使用性和耐久性时，这些裂缝是正常的结构裂缝，无须处理；而过大宽度的裂缝，就会影响到结构的安全、适用和耐久性，这种裂缝可称为破坏性裂缝。破坏性裂缝一旦出现，必须进行相应的处理。2．1荷载作用造成的裂缝当结构在外部荷载（各种恒、活载；水、土压力；地基反力等）作用下，因受力性能不足，产生了过大变形，使裂缝发生并发展为破坏性裂缝。这种由荷载作用造成的裂缝的产生，主要是由于设计时采用的基础资料有误或是设计中考虑不周、计算疏忽等失误造成。对水池结构来说，荷载偏差一般容易由下列因素造成：水池在各种工况下的水位变化、空满情况、地质资料、水温及气温等各种环境参数等的基础资料有误或设计中遗漏某种极端工况；结构建模有缺陷，造成内力计算值与实际受力状况有较大偏差；设计中对一些内力和变形控制点、应力集中点把握不准，或忽视次要构件对内力分配的影响；计算不细致或漏算等。2．2混凝土收缩和温湿差变形造成裂缝混凝土在其硬化期间放出的大量水化热，使得混凝土结构内部的温度不断上升，以致在结构表面引起拉应力；在其后期的降温收缩过程中，又由于受到支座及周边混凝土的约束而在混凝土结构中出现拉应力。因此，水池结构中的混凝土早期收缩裂缝主要出现在裸露表面，混凝土硬化后的收缩裂缝出现在结构件的中部附近较多。由于环境温度的变化，会使混凝土构件产生热胀冷缩，这种由气候变化产生的温差，在水池结构设计中称为中面季节温差。而混凝土结构温度分布不均，也会在结构内产生温度应力。影响混凝土结构温度分布的外部因素包括接触媒介的温度温度、风速和结构方位朝向。内部因素主要有混凝土的导热系数、水化热、结构形状、是否有铺装层、结构表面颜色等[1]。此类造成混凝土结构温度应力的原因，在水池设计中一般表现为壁面温（湿）差。中面季节温差产生的温度应力一般可通过设置伸缩变形缝或在混凝土中添加外加剂，以及采用设置加强带、后浇带等措施解决，此类方法一般还能同时消减水化热的影响。壁面温（湿）差一般由于池壁两侧接触的介质具有不同的温度和湿度，从而形成的壁面温差和湿差，使得温（湿）度较低一侧的结构受拉，从而产生裂缝。这种壁面温（湿）差应作为一种荷载作用，在结构设计中应进行相应的结构裂缝验算。2．3由于材料质量和构造不良造成的裂缝混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂所组成。要避免水池结构产生破坏性裂缝,混凝土用料是否适当及材料质量能否保证,起着重要的作用。因用料不当或材料质量有问题而造成的裂缝，即便经修复后能满足正常使用，但往往仍留有隐患，所以一定要注重事前的防范。有关水池结构的节点等细部构造要求在相应的规范、规程中有规定。设计时应注意使水池结构的整体满足结构选型及布置的合理性外，同时还应保证所采用的水池结构的计算模型与水池的实际受力状态一致，这就需要通过构造措施来实现。如果设计采用的构造措施不当或缺失，就会使结构实际受力情况与计算模型不符，从而难免在结构中形成薄弱部位以致产生破坏性裂缝。3水池设计中的裂缝控制3．1荷载作用裂缝的控制荷载作用裂缝的控制，就是要求在设计时对池体各部位可能产生最大拉应力的截面进行计算分析，使之满足裂缝控制的要求。要避免此类裂缝，首先应在水池结构设计的基础资料的收集使用中做到完整、准确。这是因为：地下水位和土层情况的不同，会使埋地式水池的设计水土压力产生很大变化；基础持力层的不同可能直接影响基础结构形式和池体沉降变形情况；水池在试水、调试、运行、检修等各种状态下的荷载作用，则关系到内力计算的准确性；气象资料及池内水温情况，决定了温（湿）度应力计算的可靠性。在掌握了全面可靠的荷载作用基础资料后，就需要对池体结构建立正确的计算模型和选择合理的荷载组合，以确保其内力及变形的计算值与水池的实际工作情况一致。一般而言，此设计阶段的主要问题如下：（1）基础梁、板计算时采用的地基假定是否合理。目前计算水池地基反力的三种假定[4]（地基反力直线分布假定、文克尔假定、半无限弹性体假定）的计算结果出入较大，所以应根据各假定的适用条件，采用与实际情况最为接近的理论进行计算。（2）支座假定是否合理。池体顶板、壁板、底板连接部位的支承条件决定了各构件的支座假定，采用合理的支座假定才能据此计算出正确的内力分布。（3）荷载最不利组合是否选择正确。一般比较容易疏漏的是施工、试水、检修阶段的荷载组合。（4）极端温（湿）差出现的部位及取值是否有误等。具体设计时，一般应首先根据结构方案进行初步的荷载和内力计算。通过对计算结果的分析来进一步调整结构受力体系，尽量使池体结构的各部位都能做到结构合理、受力明确、经济可靠。然后对整体结构所有结构件进行详细的力学计算，得到在各个起控制作用的工况下各控制断面的内力设计控制值。在接下来的截面配筋设计中，应区分各构件是否需进行裂缝控制设计，若需进行裂缝控制设计，则应根据其受力性质分别进行抗裂度验算或裂缝开展宽度验算。通过调整配筋率、钢筋规格、混凝土标号或构件截面尺寸，来达到裂缝控制。另外，在设计中应包含温（湿）差应力的内容[3]。壁面温（湿）差应力的计算较为简单，应在内力计算时将其加入可变荷载作用组合。中面季节温差应力一般通过设伸缩缝等构造措施解决，在满足构造要求后不加入荷载组合。在做到计算的全面、合理和准确后，还要注意一些次要构件对内力分配的影响。如水池中常用的一些隔墙、导流墙，当采用砌体墙时，一般可作为荷载作用于池体结构上。而一旦采用现浇混凝土壁板时，则应考虑其对池体结构的支点作用，因为这会改变主体结构内力的分配和传递。还有，池体变形缝的设置位置和类型的不同往往会改变变形缝周边构件的受力情况。因此，在设计和工程实施过程中，对一些看似次要部位的调整，一定要考虑到对主体结构的影响，以免因此产生破坏性裂缝。3．2混凝土收缩和温湿差造成裂缝的控制此类裂缝的控制首先应根据规范规定，严格掌握混凝土配比及其用料的品种规格和级配，同时对混凝土灌筑和养护提出设计要求。另外，对大型水池可采取设伸缩缝、掺添加剂和设加强带、后浇带等措施。下面讨论大型水池的裂缝控制。根据现行规范要求，现浇钢筋混凝土水池在基底为土基时，应每隔20m(地面式)或30m（地下式或有保温措施）设一道伸缩缝，当为岩基时减为15m和20m，当为装配整体式时可加长5~10m。按此构造，一般能解除中面季节温差产生的温度应力并消减混凝土收缩的影响。伸缩缝的设置将水池结构完全切断，然而在具体设计中，有时会由于池形及池内分隔复杂而难以做到，从而采用完全或不完全收缩缝来替代。这样做实现了伸缩缝的部分功能，在实际应用中一般也是有效的，但对于混凝土在温度作用下的伸展问题并未解决，而这有可能造成混凝土局部压碎的现象。因此，采用收缩缝除了在构造上应将表面开槽嵌填密封胶外，更重要的是设缝位置应尽量避开构件的主要受压区和应力集中区。由于变形缝的设置需要采取严密的构造措施来保证，对节点处理、施工及材料等都有相当高的要求，其中任何一个环节的问题，都会造成较严重的后果。规范规定，当有经验时，可在混凝土中施加可靠的外加剂或设后浇带，减少其收缩变形，从而放宽伸缩缝的最大间距限制。在一些大型水池的设计中，已开始越来越多地采用掺加添加剂、增设加强带、后浇带的方法，以减少或取消伸缩缝。掺加添加剂主要是为了增强混凝土的均匀密实性能并消减混凝土自身结硬过程中的收缩变形。当混凝土的均匀密实性提高后，一旦混凝土因受力变形而开裂时，出现的裂缝较为细密，由此起到控制裂缝宽度的目的。目前被普遍采用的添加剂主要有两类：第一类是以膨胀剂和防水剂为主要成份的抗裂防水剂,它通过使混凝土膨胀，从而在钢筋内产生一定的预压应力，当混凝土收缩时起到补偿作用，同时其产生的晶体堵塞和切断毛细通道使混凝土密实。第二类是在混凝土中添加高强合成纤维，制成纤维混凝土，使混凝土的收缩能量被分散至大量高强钎维上，增强了混凝土的韧性，抑制了裂缝的发生和发展。由于市场上各品牌型号的添加剂的性能和实际效果各不相同，同时规范中也明确了应以可靠经验作为采用依据，所以设计中应根据生产方提供的产品参数及使用方法，结合已有工程应用实例，针对具体项目协同生产方通过试配检测来确定采用型号、用量和做法。采用添加剂后，伸缩缝的设置间距可有效加大，但并不是可以无限增大。在超过现有添加剂产品的能力范围后，如果要求进一步加大伸缩缝间距或者不设缝，设计就应结合其他措施的采用以考虑其可能性。抗裂防水剂类添加剂一般用在加强带处。如前所述，在混凝土收缩和温度应力最大处增设加强带来对超长池体进行分割。在加强带处，一般用通过增加混凝土强度和抗裂防水剂类添加剂的掺量，同时在加强带内增配温度钢筋，来提高此处混凝土的膨胀率和抗拉强度，消除混凝土内累积的拉应力。高强合成纤维类添加剂的使用应满足《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38-2004）的要求，其效果主要取决于纤维的强度、抗老化性、拌和时的分散性及其与混凝土的粘合性，其中纤维本身的高弹性模量和高强度最为关键。纤维混凝土在水池结构中的应用还相对较少，作为当水池长度超过可靠经验范围后，可参照抗裂防水剂类添加剂的做法，在加强带处通过高强合成纤维类添加剂的使用形成强度和性能更高的钢纤维混凝土。很多水池在设计中采用了后浇带，规范也允许在设置后浇带后加大伸缩缝最大间距。实际上，纯粹从后浇带的意义上理解，其作用是相当有限的，因为后浇带只能解决混凝土初期收缩的应力和变形问题，而无法解决混凝土后期收缩应力和中面季节温差产生的温度应力。但是,后浇带两侧为贯通池体的施工缝，且其中设有止水带，实际上也可看作是设了两条构造不完整的不完全收缩缝。因此，即使经验证明后浇带能取代伸缩缝，也不说明是因为后浇带起的作用，而是因后浇带的设置而形成了收缩缝。后浇带更适用于替代沉降缝，对于伸缩缝或引发缝（完全或不完全收缩缝），设计可直接设一条缝即可，不必设成两条。3．3材料质量和构造不良造成裂缝的控制在《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中，对水池结构的材料作了相应的规定，设计时应注意遵守并针对具体项目提出更为明确和严格的要求。首先，浇筑混凝土不应使用过期水泥或由于受潮而结块的水泥，否则将由于水化不完全而降低混凝土的抗渗性和强度。其次，水灰比越大则混凝土中多余水分蒸发后形成的毛细孔也就越多，这些孔隙是造成混凝土开裂的主要原因。砂石粒径不均匀、级配不良、粗骨料粒径过大且含量过高、含泥量过高，都会降低混凝土的和易性和密实度，易使裂缝产生和发展。另外，水池混凝土中采用的外加剂也应满足一定的要求，以免影响混凝土的抗裂性。在保证材料质量的同时，池体各部位的构造是否合理可靠，同样对控制裂缝至关重要。设计时,首先要通过合理的构造措施来保证水池实际受力状态与整体计算模型的一致性，然后针对各个构件、节点，都应按其在结构体系中的作用，分别采用相应的构造做法。合理、细致的细部构造设计，能起到控制裂缝的作用。对于影响到整个结构体系的问题，一定要从确定结构方案起，就考虑好相应的构造措施。理想的计算模型必须有可靠且可行的构造措施来保证，而当难以实施相应的构造措施时，应调整计算模型使之符合实际受力情况。诸如应对下列问题：水池底板计算时采用何种地基反力假定，是否采用构造式底板；是采用挡墙式壁板还是整体式壁板；大型水池变形缝的设置与否及其位置和类型等等，都应针对性地采用合适的计算模型。4工程实例中的裂缝分析和处理下面针对一些具体工程中出现的池体裂缝，通过分析其成因及其补救措施，来进一步阐明水池设计中的裂缝控制要点。第一个工程实例主要用于说明在水池设计中一定要抓住结构受力体系的关键点，并应相应采取可靠措施，如果有所疏漏，就会造成裂缝事故。例1：某净化水厂工程的一座大型调节池，平面尺寸为115m×25m，池壁高6.5m，埋深1.5m。在距池右侧外壁近20m处有一道隔墙。结构采用带扶壁的挡水墙壁板，扶壁间距3.1~3.5m，扶壁下设高1m地梁；底板为构造式底板，沿长度方向设有三道伸缩缝，在挡水墙壁板及其下基础板的对应位置做有后浇带；挡水墙基础板与构造底板间采用伸缩缝形式的分离式构造。其结构平面布置见图1所示。图1调节池结构平面布置示意图水池建成后，在试水初始阶段即发现池体的长向（96m）壁板开始发生水平位移，随着水位的上升，变形量逐渐增大，并且在长向壁板的中间出现垂直裂缝，但未发现有壁板渗水现象。由于此时水池已满水，为了查明最终变形情况，决定保持在满水状态下继续观测。经数周观测，长向壁板基本上未发生进一步的变形，但此时最大变形量达50mm左右。本例水池结构中，设计采用的池壁挡墙与构造底板间结构完全分离，没有拉结，同时由于试水阶段时池外无回填土，因此水对池壁挡墙的侧向力完全靠基底摩阻力承受。在设计中虽然已对基底滑移进行了验算，但由于摩擦系数的取值受原始资料和施工等各方面的影响，造成验算值与实际情况不一致，因而发生了挡墙滑移。本设计在挡水墙壁板及其基础上采用了后浇带取代伸缩缝，使墙体结构贯通，从而当滑移变形至一定程度后，由于结构水平框架作用的约束作用使其稳定下来。在明确事故原因后，采取的补救措施如下：排空水池后首先检查底板伸缩缝内止水带有无破裂；经确认其完好后，将变形明显的伸缩缝的上部嵌缝材料清除后重填，并在其中加嵌一条遇水膨胀橡胶条，以加强止水能力；然后对所有裂缝进行清查并采用环氧树脂灌浆料进行化学灌浆修补；最后在基坑回填过程中将池周回填土分层夯实，消除了挡墙结构再次滑移的隐患。本例水池事故主要是由于设计时的基础资料取值不准及结构构造不够完善造成。如果能考虑到挡墙基底的摩阻力取值存在着较大的不可靠因素，设计时采取将底板伸缩缝改为不完全收缩缝，并扩大挡墙下基础外挑面积，或设增阻垫层或齿槽等方法，均可避免过大变形及裂缝的产生。例2：某污水厂一座氧化沟，平面尺寸为80m×50m，池壁高4.7m，埋深3m。池体不设伸缩缝，设计采用后张法预应力技术对池壁水平向和池底板双向施加预应力，以抵消温（湿）度应力的影响。图2为其结构平面布置图。图2氧化沟结构平面布置图施工时，在底板面以上500mm处设一道水平施工缝，内设钢板止水带。在池壁全部浇筑完成后约3d，底板混凝土经养护，其强度已达设计值的85%以上。此时，开始底板预应力筋的张拉后即发现池壁出现垂直裂缝，每间隔4m左右，较有规律分布，且大多在内外壁对应位置处均能观察到，这说明裂缝已贯通。通过对事故原因进行的现场分析，发现裂缝间距与预应力钢筋张拉作业的间隔距离一致。由于底板预应力筋张拉工作为分区按序施工，因此底板预应力及由此产生的变形也分段形成，从而使上部尚在养护结硬的壁板受此影响产生了剪切裂缝。采取的补救措施如下：首先继续对尚在结硬过程中的池体加强养护；待混凝土达到养护期，且确认其强度满足设计要求后，即对池体裂缝进行压力灌浆修补；